一种基于可调频的振荡型Ramp式涡流发生器的进气道

一种基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道
技术领域
1.本发明属于超声速进气道技术领域，尤其涉及一种基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道。


背景技术：

2.激波/边界层干扰是超声速进气道中重要的流动现象。该类现象极易导致边界层分离并造成显著的总压损失，有些条件下分离的气流甚至可能堵塞进气道喉道，诱发进气道不起动，严重威胁飞行安全。因此，对进气道内激波/边界层干扰现象的抑制，一直是超声速进气道设计中需要着重考虑的问题。
3.为了抑制超声速进气道中的激波/边界层干扰引起的分离，目前使用较为广泛的是边界层放气和微型斜坡式涡流发生器两种。边界层放气是进气道中一种常见的流动控制方法，该方法通过去除边界层内的低能流体，从而增强其抵抗逆压力梯度的能力，进而达到抑制分离的目的。但是边界层放气方法在取得控制效果的同时，不可避免的需要泄除一部分进气道捕获气流，为补充这部分流量损失，进气道的捕获面积必须设计更大。此外，放气造成的放气阻力以及高马赫数下放气流路的热防护问题也不容忽视。
4.微型斜坡式涡流发生器由于其高度仅有边界层厚度的10％～70％，在取得控制效果的同时，极大地减少了控制部件的附加阻力，其结构主要为尖楔、三角形、叶片式、机翼式、梯形、叶栅等。与其他流动控制技术相比，它的主要优点是不需要额外的能量和质量供应，产生的流动旋涡可以在边界层中保持较长距离，且不容易因上升而离开边界层。但是，从现有的研究结果来看，微型斜坡式涡流发生器只能在一定条件下有效地控制激波/边界层干扰，且其一直存在于进气道表面会破坏飞行器的气动特性，由此会导致飞行器油耗增加且气动性能下降。况且，实际超声速进气道内的流场非常复杂，定几何涡流发生器的控制能力远不能达到进气道的实际控制需求。显然，需要结合进气道的流动特点，进一步地发展出新形式的进气道，提出新控制策略和控制方法，以实现对进气道内入射激波/边界层干扰的更好控制。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道，能有效解决激波边界层干扰导致的进气道壁面上的不稳定载荷、速度剖面的畸变、湍流程度增加、进气道性能降低的难题。根据进气道入口不同的飞行马赫数和飞行攻角，可调频的振荡型ramp式涡流发生器可通过高频振荡从而诱导出高强度的振荡流向旋涡结构，诱导产生了边界层内更强的动量掺混效果，实现了对强激波边界层干扰的控制。
6.为实现以上目的，本发明基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道采用以下技术方案：
7.一种基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道，包括进气道外压缩面、进气道唇罩、位于进气道唇罩两侧的进气道侧壁、进气道内通道内表面；进气道唇罩、位于进
气道唇罩两侧的进气道侧壁、进气道内通道内表面围成进气道内通道；所述进气道内通道内表面向内设有凹槽，该凹槽内设有ramp式涡流发生器组件、位于ramp式涡流发生器组件内侧的凸轮组件；ramp式涡流发生器组件包括卡在凹槽表面的弹簧钢板及自弹簧钢板上切出的若干并排排列的涡流发生器，涡流发生器在自由状态时为与弹簧钢板外表面贴合状态；涡流发生器内侧位置设有贯穿弹簧钢板的通孔；凸轮组件包括盘形的凸轮盘、位于每个翼片内侧并插入开孔内的导杆、承载导杆并受到凸轮盘作用的支撑板；凸轮盘设置均匀设置在外缘的若干凸轮部，相邻两凸轮部之间为凹陷部，凸轮盘转动带动导杆按照对应频率向外凸伸，当导杆与凸轮部配合向外凸伸时，涡流发生器被导杆抵靠向外打开至内通道中，当导杆与凹陷部配合时，涡流发生器回复到自由状态即归位于与弹簧钢板外表面贴合状态。
8.进一步的，所述支撑板与凸轮盘之间安装有滚珠轴承，支撑板向内延伸出位于滚珠轴承两侧并用于安装滚珠轴承的限位板。
9.进一步的，所述弹簧钢板内侧安装有向内延伸的两个支撑架，所述凸轮盘安装于两个支撑架之间，一个支撑架上还设有驱动凸轮盘转动的电机；所述支撑架靠近弹簧钢板的部分镂空设计以提供承载导杆与支撑板的安装空间。
10.进一步的，所述涡流发生器为三角形，且三角形的尖角位于后端，且涡流发生器与弹簧钢板形成的开口背对进气道进口。
11.进一步的，排列的若干涡流发生器由同一个支撑板带动，凸轮盘转动时，各涡流发生器的振动频率和振动幅度相同。
12.进一步的，该进气道为二元超声速进气道，进气道的内收缩比为1.65,工作马赫数范围为0-4；其采用两级压缩斜面，两斜面的楔角为8.5
°
，两级唇罩压缩角度分别为9
°
与11
°
；进气道入口截面的边界层厚度为进气道入口高度h的1/18。
13.进一步的，若干涡流发生器沿垂直于流体流动的方向等间距设置，间距为s＝7.5hv，其中hv为涡流发生器打开的最大高度；涡流发生器设置于激波无粘入射位置前32hv处；所述涡流发生器前缘位于同一直线上。
14.有益效果：本发明提供了一种基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道，该涡流发生器在作动机构的驱动下可以实现振动高度和振动频率变化，从而诱导出更高强度的频率可控的流向旋涡，以实现更强的动量掺混效果，突破了传统定几何涡流发生器只能作用于特定工况的局限性，大大拓展了涡流发生器的作用范围，能有效解决进气道内激波/边界层干扰导致的边界层分离产生的一些不利影响。由于构成作动机构的材料和构型具有多样性，本发明中可针对具体工作环境与作用效果设计作动机构产生所需的振动高度或振动频率，从而有效地应对进气道不同工况下的流动分离问题，在提升进气道流场品质的同时也提高了进气道的耐反压能力，进而提升了整个进气道的性能。
附图说明
15.图1是本发明基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道的三维图。
16.图2是本发明可调频的振荡型ramp式涡流发生器处于初始位置的进气道剖视图。
17.图3是本发明可调频的振荡型ramp式涡流发生器处于最高位置的进气道剖视图。
18.图4是本发明基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道中作动机构的主视
图。
19.图5是本发明基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道中作动机构的前视图。
20.图6是本发明基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道中作动机构的右视图。
21.图7是本发明基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道的涡流发生器结构图。
具体实施方式
22.本发明公开了一种基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道，以下结合附图，对本发明提供的技术方案做详细说明。
23.请参阅图1至图7所示，本发明提供一种基于可调频的振荡型ramp式涡流发生器的进气道，包括凸轮盘组件、流动控制部件涡流发生器。
24.进气道包含振荡型ramp式涡流发生器组件、进气道外压缩面2、进气道唇罩3、进气道内通道表面、位于进气道唇罩两侧的进气道侧壁5；所述进气道唇罩3位于内通道表面外侧，且唇罩3、进气道侧壁5与内通道表面围成进气道内通道4；所述可调频的振荡型ramp式涡流发生器1放置于进气道的内通道表面4，当分离对进气道的性能影响比较小时，涡流发生器1嵌入内通道下表面4保持壁面平坦；当分离对进气道的性能影响比较大时，所述涡流发生器1可以通过可控的频率上下振荡；弹簧钢板14嵌于进气道内通道下表面中。
25.所述的凸轮盘组件有前驱动部分与后驱动部分两部分，前驱动部分包括电机7、传动轴8、键槽9、凸轮盘13、支撑架10以及导向柱10.1，后驱动部分包括导杆11.1、支撑板11.2、限位板11.3、滚珠轴承12。
26.请结合图1、图5及图7所示，所述的流动控制部件包含三角形状的涡流发生器1，三角形状的涡流发生器1为弹簧钢板14上切出的v字构型而形成三角形的涡流发生器1，则涡流发生器1尖头与弹簧钢板14脱离，涡流发生器1较宽一端未与弹簧钢板14脱离并弯折形成一个涡流发生器振荡轴6结构。由于涡流发生器1是由弹簧钢板14切割形成，故具有初始弹力，当涡流发生器1处于不受力的自由状态时，涡流发生器1贴合在弹簧钢板14外表面，如图7中位置1.2所示。所述弹簧钢板14与进气道内通道表面通过平头螺钉连接。弹簧钢板14的厚度要大于涡流发生器1厚度，弹簧钢板14宽度不超过进气道内通道表面宽度，弹簧钢板14的流向位置以及涡流发生器1位置由唇罩入射位置确定。
27.涡流发生器1的底面与后驱动部分导杆7.1连接，由凸轮盘13转动带动支撑板11.2以及导杆11.1上下运动，再由导杆11.1推动涡流发生器1绕涡流发生器振荡轴6上下运动。具体的，凸轮盘13设置均匀设置在外缘的若干凸轮部，相邻两凸轮部之间为凹陷部。凸轮盘13转动带动导杆11.1按照对应频率向外凸伸。当导杆11.1与凸轮部配合向外凸伸时，涡流发生器1被导杆11.1抵靠向外打开至内通道4中(如图7中位置1.1，该位置即为涡流发生器1向外打开的最大位置)，当导杆11.1与凹陷部配合时，涡流发生器1回复到自由状态即归位于与弹簧钢板14外表面贴合状态(如图7中位置1.2)。
28.该进气道为二元超声速进气道，进气道的内收缩比为1.65,工作马赫数范围为0-4；其采用两级压缩斜面2，两斜面的楔角为8.5
°
，两级唇罩压缩角度分别为9
°
与11
°
；进气道
入口截面的边界层厚度为进气道入口高度h的1/18；
29.请结合图1、图5及图7所示，凸轮盘结构前驱动部分的电机7的转速可调节；传动轴8与凸轮盘13通过键槽9限位；传动轴8两端固定于支撑架10上，支撑架10上的导向柱10.1穿过支撑板11.2，维持支撑板11.2沿导向柱10.1方向移动，避免支撑板11.2因受外界载荷造成横向卡死；支撑架10迎风面应做锐化处理。
30.请结合图1、图5及图7所示，后驱动部分的导杆11.1一端连接涡流发生器1，另一端与支撑板11.2连接，由旋转的凸轮盘13带动其上下振动；凸轮盘13和支撑板11.2之间加装的滚珠轴承12是按照国标gb/t272-1993生产的标准件，从而保证凸轮盘13传动过程顺利进行；限位板11.3具有限位作用，防止滚动轴承12横向移动。
31.请结合图1至图5所示，通过增加凸轮盘13上外凸部分的数量来获取更高的振动频率，凸轮盘13旋转一圈，相当于经过六个凸轮，支撑板11.2往返六次，涡流发生器1上下摆动六次，比使用传统凸轮的频率提升六倍，且机构运动全程过渡自然、无死点和惯性力产生，具有较好的稳定性。凸轮盘13由电机7驱动，所述电机7的转速可调，通过控制凸轮盘13的转速来控制涡流发生器1绕转涡流发生器振荡轴6上下往复振荡的频率。
32.请结合图5、图7所示，所述涡流发生器1沿垂直于流体流动的方向等间距设置，间距为s＝7.5hv(其中hv为涡流发生器可以摆动的最大高度)；所述多个涡流发生器设置于激波无粘入射位置前32hv处；所述涡流发生器前缘位于同一直线上构成一个垂直于来流的涡流发生器排；排列的涡流发生器1由同一个支撑板11.2带动，各涡流发生器1的振动频率和振动幅度相同。
33.在本实施方式中，所述涡流发生器1的半顶角ap为24
°
，斜坡弦长c＝7.2hv，底部为等腰三角形；所述涡流发生器1厚度(即弹簧钢板所切割的v型厚度)可以改变；所述涡流发生器的初始位置在所述弹簧钢板14上的凹槽内；涡流发生器前缘垂直来流方向，其尾缘绕涡流发生器振荡轴6上下摆动，摆动方向垂直于所述弹簧钢板14；涡流发生器1的个数由内通道下表面4宽度决定；涡流发生器1最大振荡高度hv取值为当地边界层厚度的10％-70％。
34.所述可调频的振荡型ramp式涡流发生器1振荡高度和频率可以根据进气道的实际控制需求进行调节。
35.发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的实施方式之一。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。